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1、第5章 网络互联技术与设备,5.1 网络互联概述 5.2 网络互联设备 5.3 无线网络设备 5.4 广域网技术,5.1 网络互联概述,计算机网络互联是利用网络互联设备及相应的技术措施和协议把两个以上的计算机网络连起来，以实现更大程度的数据通信和资源共享。互联的网络和设备可以是同种类型的网络、不同类型的网络，以及运行不同网络协议的设备与系统。计算机网络互联的目的是使一个网络上的用户能够访问其他计算机网络上的资源，使不同网络上的用户能够相互通信和交流信息，以实现更大范围的资源共享和信息交流。 网络互联有两方面的内容:一是将多个独立的、小范围的网络连接起来构成一个较大范围的网络;二是将一个结点多、
2、负载重的大网络分解成若干个小网络，再利用互联技术把这些小网络连接起来。,下一页,返回,5.1 网络互联概述,网络互联的功能有两个: (1)基本功能:是指网络互联所必需的功能，如寻址和路由选择等。 (2)扩展功能:是指各种互联网提供不同服务时所需的功能，如协议转换、分组长度控制、排序和差错检测等。 网络互联有以下4种形式: (1)局域网与局域网互联，即LAN-LAN。例如，以太网与令牌环之间的互联。 (2)局域网与广域网互联，即LAN-WAN。例如，使用公用电话网、分组交换网、DDN、 ISDN、帧中继等连接远程局域网。,上一页,下一页,返回,5.1 网络互联概述,(3)广域网与广域网互联，即W
3、AN-WAN。例如，专用广域网与公用广域网的 互联。 (4)局域网通过广域网互联。即LAN-WAN-LAN。例如，Extranet。 下面介绍网络互联中的常见概念。 互联(interconnection):是指在两个网络之间至少存在一条物理连接线路，它为两个网络之间的逻辑连接提供物理基础。如果两个网络的通信协议相互兼容，则两个网络之间就能进行数据交换。 互通(intercommunication):是指互联的两个网络之间有逻辑连接并可进行数据交换。 互操作(interoperability):是指网络中不同计算机系统之间具有访问对方资源的能力。互操作是在互通的基础上实现的。,上一页,下一页,返
4、回,5.1 网络互联概述,互联、互通与互操作是3个不同的概念，它们表示不同层次的含义。但三者之间又有密切关系:互联是网络互联的基础，互通是网络互联的手段，互操作是网络互联的目的。 由于计算机网络系统是分层次实现的，上层协议往往支持多种下层协议，并且对上层协议而言，下层协议的差异性被隐蔽起来犷，似乎不存在一样。因此网络互联可以在不同的层次上实现。在每个层次上的互联都需要一个中间连接设备，以便当信息包从一个网络传送到另一个网络时，做必要的转换。我们把中间设备称为网间互联设备。根据互联设备作用在OSI参考模型的哪一层，通常有以下几种类型:,上一页,下一页,返回,5.1 网络互联概述,(1)物理层互联
5、。物理层互联的设备是中继器或集线器。中继器在两个相同局域网之间复制并传送二进制位信号，即复制每一个比特流。集线器的工作原理与中继器相同，集线器又称多端口的中继器。 (2)数据链路层互联。数据链路层互联的设备是网桥(bridge)或交换机。网桥互联两个独立的局域网，在局域网之间存储转发数据帧。交换机也称为多端口的网桥。 (3)网络层互联。网络层互联的设备是路由器或三层交换机。路由器在不同的逻辑子网及异构网络之间转发数据分组。 (4)高层互联。传输层及以上各层协议不同的网络之间的互联属于高层互联，高层互联的设备是网关(gateway )。网关可以工作在传输层以上，具有协议转换功能。,上一页,下一页
6、,返回,5.2 网络互联设备,网络互联设备是实现网络之间物理连接的中间设备。根据网络互联层次的不同，所使用的网络互联设备也不同。本节将具体介绍工作在OSI参考模型不同层次上的几种网间互联设备的功能、特点及它们的工作原理。 5.2.1 中继器 基带信号沿线路传播时会产生衰减，所以当需要传输较长的距离时，或者说需要将网络扩展到更大的范围时，就要采用中继器。中继器(repeater)是OSI参考模型中的物理层的设备，是最简单的网络互联设备，它可以将局域网的一个网段和另一个网段连接起来，主要用于局域网一局域网互联，起到信号放大和延长信号传输距离的作用。中继器的应用如图5-1所示。,上一页,返回,5.2
7、 网络互联设备,中继器的主要工作就是复制收到的比特流。当中继器的某个输入端输入“1“输出端就立即复制、放大并输出“1“。收到的所有信号都被原样转发，并且时延很小。中继器不能过滤网络流量，到达中继器一个端口的信号会发送到所有其他端口上。中继器不能识别数据的格式和内容，错误信号也会原样照发。中继器不能改变数据类型，即不能改变数据链路报头类型，也不能连接不同的网络，如令牌环网和以太网。 中继器最典型的应用是连接两个及两个以上的以太网电缆段，其目的是为了延长网络的长度。但延长是有限的，中继器只能在规定的信号时延范围内进行有效的工作。根据“四中继器原则”，在网络上任何两台计算机之间不能安装超过4台中继器
8、，这就是5-4-3-2-1规则，或称为5-4-3原则，即网络可以被4台中继器分成5个部分，其中允许3个部分有主机，并且主机数目可达该网段规定的最大主机数。,下一页,返回,5.2 网络互联设备,例如，在10Base-5粗缆以太网的组网规则中规定，每个电缆段最大长度为500m，最多可用4个中继器连接5个电缆段，延长后的最大网络长度为2500m。 中继器具有如下一些特性: (1)中继器仅作用于物理层，只具有简单地放大和再生物理信号的功能，所以中继器只能连接完全相同的局域网，也就是说用中继器互联的局域网应具有相同的协议和速率，如IEEE 802.3以太网到以太网之间的连接和IEEE 802.5令牌环网
9、到令牌环网之间的连接。用中继器连接的局域网在物理上是一个网络，也就是说中继器把多个独立的物理网络互联成为一个大的物理网络。,上一页,下一页,返回,5.2 网络互联设备,(2)中继器可以连接相同传输介质的同类局域网(例如，粗同轴电缆以太网之间的连接)，也可以连接不同传输介质的同类局域网(例如，粗同轴电缆以太网与细同轴电缆以太网或粗同轴电缆以太网与双绞线以太网的连接)。 (3)由于中继器在物理层实现互联，所以它对物理层以上各层协议(数据链路层到应用层)完全透明，中继器支持数据链路层及其以上各层的任何协议，也就是说只有物理层以上各层协议完全相同才可以实现互联。 5.2.2 集线器 集线器(Hub)最
10、初的功能是把所有结点集中在以它为中心的结点上，有力地支持了星型拓扑结构，简化了网络的管理与维护。集线器的网络结构如图5-2所示。,上一页,下一页,返回,5.2 网络互联设备,集线器工作在物理层，逐位复制某一个端口收到的信号，放大后输出到其他所有端口，从而使一组结点共享信号。集线器的功能主要如下: (1)信息转发。 (2)信号再生。 (3)减少网络故障。 集线器一般用在以下场合: (1)连接网络:计算机通过网卡连接到集线器上，集线器再连接网络。 (2)网络扩充:集线器级联，扩充网络接口。,上一页,下一页,返回,5.2 网络互联设备,(3)网络分区:不同办公室、楼层可通过集线器集中连接。 集线器的
11、类型主要有以下几种: (1)被动集线器:被动集线器只是当实体连接点，不处理或检测经过的流量，也不放大或清理信号。只是把一个信号简单地传送给其他端口。 (2)主动集线器:主动集线器提供一定的优化性能和一些诊断能力，当信号不规则(衰减、畸变、乱序)时可以进行再生。 (3)智能集线器:智能集线器可以使用户更有效地共享资源，它可以交换信号，更有效地共享带宽资源，还具有报告异常功能。 (4)高性能集线器:交直流电源冗余、模块化，具有路由桥接功能。,上一页,下一页,返回,5.2 网络互联设备,5.2.3 网桥 用中继器或集线器扩展的局域网是同一个“冲突域”。在同一“冲突域”中，所有的主机共用同一条信道。这
12、样，局域网的作用范围，特别是主机数量将受到很大的限制，否则将造成网络性能的严重下降;同时，一个主机发送的信息，冲突域中的所有主机都可以监听到，也不利于网络的安全。要解决这个问题，需要另外一种设备一网桥。 1.网桥的工作原理 网桥(bridge)又称桥接器，它是一种存储转发设备，常用于互联局域网。网桥的网络结构如图5-3所示。 网桥工作在OSI参考模型的第二层，它在数据链路层对数据帧进行存储转发，实现网络互联。,上一页,下一页,返回,5.2 网络互联设备,网桥能够连接的局域可以是同类网络(使用相同的MAC协议的局域网，如IEEE 802.3以太网)，也可以是不同的网络(使用不同的MAC协议和相同
13、的LLC协议的网络，如IEEE 802.3以太网、IEEE 802.5令牌环网和FDDI) ,而且这些网络可以是不同的传输介质系统(如粗、细同轴电缆以太网系统和光纤以太网系统)。 网桥不是一个复杂的设备，它的工作原理是接收一个完整的帧，然后分析进入的帧，并基于包含在帧中的信息，根据帧的目的地址(MAC地址)段，来决定是丢弃这个帧，还是转发这个帧。如果目的站点和发送站点在同一个局域网，换句话说，就是源局域网和目的局域网是同一个物理网络，即在网桥的同一边，网桥将帧丢弃，不进行转发;,上一页,下一页,返回,5.2 网络互联设备,如果目的局域网和源局域网不在同一个网络时，网桥则进行路径选择，并按着指定
14、的路径将帧转发给目的局域网。网桥的路径选择方法有两种，不同类型的网桥所采用的路径选择方法不同。透明桥通过向后自学习的方法，建立一个MAC地址与网桥的端口对应表，通过查表获得路径信息，以此实现路径选择的功能;源路由网桥的路径选择是根据每一个帧所包含的路由信息段的内容而定。 网桥的主要作用是将两个以上的局域网互联为一个逻辑网，以减少局域网上的通信量，提高整个网络系统的性能。网桥的另一个作用是扩大网络的物理范围。另外，由于网桥能隔离一个物理网段的故障，所以网桥能够提高网络的可靠性。,上一页,下一页,返回,5.2 网络互联设备,网桥与中继器相比有更多的优势，它能在更大的地理范围内实现局域网互联。网桥不
15、像中继器，只是简单地放大再生物理信号，没有任何过滤作用。网桥在转发数据帧的同时，能够根据MAC地址对数据帧进行过滤，而且网桥可以连接不同类型的网络。 2.网桥与广播风暴 从网络体系结构看，网络系统的最低层是物理层，第二层是数据链路层，第三层是网络层。在介绍网桥的工作原理时已经指出，网桥工作在第二层(数据链路层)。网桥以接收数据帧、地址过滤、存储与转发数据帧的方式，来实现多个局域网的互联。,上一页,下一页,返回,5.2 网络互联设备,网桥根据局域网中数据帧的源地址与目的地址来决定是否接收和转发数据帧。根据网桥的工作原理，网桥对同一个子网中传输的数据帧不转发，因此可以达到隔离互联子网通信量的目的。
16、因为网桥要确定传输到某个目的结点的数据帧要通过哪个端口转发，就必须在网桥中保存一张“端口结点地址表”。但是，随着网络规模的扩大与用户结点数的增加，会不断出现“端口结点地址表”中没有的结点地址信息。当带有这一类目的地址的数据帧出现时，网桥将无法决定应该从哪个端口转发。,上一页,下一页,返回,5.2 网络互联设备,图5-4所示为网桥与广播风暴的形成过程。图5-4中有4个局域网(局域网1、局域网2、局域网3与局域网4)分别通过端口号为N. L、N.2、N.3与N.4的端口与网桥相连，通过网桥实现了局域网之间的互联。网桥为了确定接收数据帧的转发路由，需要建立“端口结点地址表”。如果局域网4中结点号为504的计算机刚接入，那么“端口结点地址表”的记录中:N.l对应结点101,N.2对应结点803 ,N.3对应结点205,N.4对应结点504。在这种情况下，如果局域网1中结点号为101的计算机希望给结点号为205的计算机发送数据帧，网桥可以通过“端口结点地址表”中保存的信息，很容易确定通过N.3端口线路转发到局域网3,结点号为205的计算机一定能接收到该数据帧。,上一页,下一页,返回,5.2 网络
